Halbleiter-Schaltungstechnik

Die Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, die mit Anode (anode,A) und Kathode (cathode,K) bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen Einzeldioden, die für die Montage auf Leiterplatten gedacht und in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, und integrierten Dioden, die zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiterträger (Substrat) hergestellt werden. Integrierte Dioden haben einen dritten Anschluss, der aus dem gemeinsamen Träger resultiert und mit Substrat (substrate,S) bezeichnet wird; er ist für die elektrische Funktion von untergeordneter Bedeutung.

Der Bipolartransistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, die mit Basis (base, B), Emitter (emitter, E) und Kollektor (collector, C) bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen Einzeltransistoren, die für dieMontage auf Leiterplatten gedacht und in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, und integrierten Transistoren, die zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiterträger (Substrat) hergestellt werden. Integrierte Transistoren haben einen vierten Anschluss, der aus dem gemeinsamen Träger resultiert und mit Substrat (substrate, S) bezeichnet wird; er ist für die elektrische Funktion von untergeordneter Bedeutung.

Der Feldeffekttransistor (Fet) ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, die mit Gate (G), Source (S) und Drain (D) bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen Einzeltransistoren, die für die Montage auf Leiterplatten gedacht und in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, und integrierten Feldeffekttransistoren, die zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiterträger (Substrat) hergestellt werden. Integrierte Feldeffekttransistoren haben einen vierten Anschluss, der aus dem gemeinsamen Träger resultiert und mit Substrat (bulk, B) bezeichnet wird 1. Dieser Anschluss ist bei Einzeltransistoren intern ebenfalls vorhanden, wird dort aber nicht getrennt nach außen geführt, sondern mit dem Source-Anschluss verbunden.

Verstärker (amplifier) sind wichtige Elemente in der analogen Signalverarbeitung. Sie verstärken ein Eingangssignal kleiner Amplitude soweit, dass es zur Ansteuerung einer nachfolgenden Einheit verwendet werden kann. So muss man z.B. das Signal einesMikrofons mit mehreren Verstärkern vom μV-Bereich bis in den Volt-Bereich verstärken, damit es über einen Lautsprecher wiedergegeben werden kann. Auch die Signale von Thermoelementen, Photodioden, magnetischen Leseköpfen, Empfangsantennen und vielen anderen Signalquellen können erst nach einer entsprechenden Verstärkung weiterverarbeitet werden. Da die Verarbeitung und Auswertung komplexer Signale in zunehmendem Maße mit digitalen Schaltkreisen wie Mikroprozessoren oder digitalen Signalprozessoren (DSP) erfolgt, besteht eine Signalverarbeitungskette im allgemeinen aus den folgenden Elementen bzw. Stufen: 1. einem Sensor, der eine physikalische Größe wie z.B. Druck (Mikrofon), Temperatur (Thermoelement), Licht (Photodiode) oder Feldstärke (Antenne) in ein elektrisches Signal umwandelt; 2. einem oder mehreren Verstärkern, die das Signal verstärken und filtern; 3. einem Analog-Digital-Umsetzer, der das Signal digitalisiert; 4. einem Mikroprozessor, DSP oder anderen digitalen Schaltkreisen, die das digitalisierte Signal verarbeiten; 5. einem Digital-Analog-Umsetzer, der ein analoges Ausgangssignal erzeugt; 6. einem oder mehreren Verstärkern, die das Signal soweit verstärken und filtern, dass es einem Aktor zugeführt werden kann; 7. einem Aktor, der das Signal in eine physikalische Größe wie z.B.Druck (Lautsprecher), Temperatur (Heizstab), Licht (Glühlampe) oder Feldstärke (Sendeantenne) umsetzt.

Ein Operationsverstärker ist ein mehrstufiger Gleichspannungsverstärker, der als integrierte Schaltung hergestellt wird. Er wird als Einzelbauteil angeboten oder als Bibliothekselement für den Entwurf größerer integrierte Schaltungen. Im Grunde besteht kein Unterschied zwischen einem normalen Verstärker und einem Operationsverstärker. Beide dienen dazu, Spannungen bzw. Ströme zu verstärken. Während die Eigenschaften eines normalen Verstärkers jedoch durch seinen inneren Aufbau vorgegeben sind, ist ein Operationsverstärker so beschaffen, dass seine Wirkungsweise überwiegend durch eine äußere Gegenkopplungs-Beschaltung bestimmt werden kann. Um dies zu ermöglichen, werden Operationsverstärker als gleichspannungsgekoppelte Verstärker mit hoher Verstärkung ausgeführt. Damit keine zusätzlichen Maßnahmen zur Arbeitspunkteinstellung erforderlich werden, verlangt man ein Eingangs- und Ausgangsruhepotential von 0V. Deshalb sind in der Regel zwei Betriebsspannungsquellen erforderlich: eine positive und eine negative. Derartige Verstärker wurden früher ausschließlich in Analogrechnern und zur Durchführung mathematischer Operationen wie Addition und Integration eingesetzt. Daher stammt der Name Operationsverstärker.

Bei den bisher behandelten analogen Schaltungen wird das Signal durch die Größe der Spannung repräsentiert; bei den digitalen Schaltungen, die hier behandelt werden, unterscheidet man lediglich zwei Zustände einer Spannung: Sie kann einen high-Pegel besitzen, den man bei positiver Logik mit der logischen Zustand 1 oder einen low-Pegel, den man mit dem Zustand 0 verbindet. Eine Folge davon ist, das man die Transistoren in digitalen Schaltungen nur in zwei extremen Arbeitspunkten betreibt: leitend oder gesperrt.

Unter einemSchaltnetz verstehtman eineAnordnung von Digital-Schaltungen ohneVariablenspeicher. Die Ausgangsvariablen y j werden gemäß dem Blockschaltbild in Abb. 7.1 eindeutig durch die Eingangsvariablen x i bestimmt. Bei Schaltwerken, die im folgenden Kapitel beschrieben werden, hingegen hängen die Ausgangsvariablen zusätzlich vom jeweiligen Zustand des Systems und damit von der Vorgeschichte ab.

Ein Schaltwerk besteht aus einem Schaltnetz und einem zusätzlichen Speicher, in dem der aktuelle Zustand des Systems gespeichert wird. Abbildung 8.1 zeigt den schematischen Aufbau. Zusätzlich zum Schaltnetz erkennt man hier die Zustandsvariablen Z und den Zustandsvariablen Speicher, der für die Zustandsvariablen n Flip-Flops als Speicher enthält. Der Ausgangszustand Y hängt hier im Unterschied zum Schaltnetz nicht nur von den Eingangsvariablen X ab, sondern zusätzlich auch von dem aktuellen Zustand des Systems Z. Deshalb behandeln wir in den nächsten Abschnitten zunächst den Aufbau und die Wirkungsweise von Flip-Flops.

Digitale Schaltungen, die aus Gattern und Flip-Flops bestehen, baut man nicht mehr aus Bausteinen der 7400-Serie auf, sondern man verwendet Schaltungen, die vom Anwender für die jeweilige Aufgabe programmiert werden können. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass man statt einer Vielzahl von primitiven Schaltungen (TTL-Grab) nur noch eine einzige, hochintegrierte Schaltung benötigt. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile: kommt mit kleineren Leiterplatten aus und spart dadurch Platz und Geld, die Zuverlässigkeit steigt, da die Verbindungen auf den Chip sicherer sind als auf der Leiterplatte, Designänderungen lassen sich häufig einfach durch Umprogrammieren des Bausteinsdurchführen.

Mikrocomputern und Signalprozessoren hat man heute die Möglichkeit, mathematische Operationen nahezu mit beliebiger Genauigkeit durchzuführen. Die zu verarbeitenden Größen liegen jedoch häufig als kontinuierliche Signale vor, z.B. in Form einer zur Messgröße analogen elektrischen Spannung. In diesem Fall benötigt man zusätzlich zum Digitalrechner einen Analog-Digital- und einen Digital-Analog-Umsetzer. Dieser Aufwand lohnt sich jedoch nur dann, wenn die Genauigkeitsforderungen so hoch sind, dass sie sich mit Analogrechenschaltungen nicht erfüllen lassen. Die Grenze liegt größenordnungsmäßig bei 0,1%.

In der linearen Netzwerksynthese verwendetman neben den passiven Bauelementen idealisierte aktive Bauelemente in Form von gesteuerten Strom- und Spannungsquellen. Es gibt vier verschiedene Typen von idealen Quellen die in Abb. 11.1 gegenübergestellt sind. Sie unterscheiden im Eingangs- und Ausgangssignal. Die spannungsgesteuerten Quellen werden stromlos gesteuert, die stromgesteuerten werden spannungslos gesteuert.Ein Spannungsausgang liefert eine definierte Ausgangsspannung, eine Stromausgang liefert einen definierten Ausgangsstrom. Die deutschen Namen sind jeweils angegeben zusammen mit den international üblichen Bezeichnungen. Die eingetragenen Übertragungsgleichungen gelten für die hier dargestellten idealen Quellen. Eine ganz ähnliche Übersicht haben wir bereits bei denOperationsverstärkern in Kapitel 5 kennen gelernt, die man ebenfalls gemäß Spannungs- und Stromgesteuerten Ein- und Ausgängen klassifiziert.

Es gibt Filter mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften. Die wichtigsten sind in Abb. 12.1 gegenübergestellt. Ein Tiefpassfilter lässt tiefe Frequenzen durch und dämpft hohe. Bei einem Hochpassfilter ist es genau umgekehrt. Ein Bandpass lässt nur Frequenzen in der Nähe derResonanzfrequenz durch und dämpft tiefe und hohe Frequenzen. EineBandsperre dämpft nur Frequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz.

In diesem Kapitel werden Schaltungen zur Signalformung und Signalerzeugung beschrieben. Dabei handelt es sich überwiegend um Schaltungen für den Niederfrequenzbereich. Oszillatoren für hohe Frequenzen in der Nachrichtentechnik folgen im Kapitel 26.

Leistungsverstärker sind Schaltungen, bei denen eine hohe Ausgangsleistung im Vordergrund steht und die Spannungsverstärkung eine untergeordnete Rolle spielt. Sie bestehen aus zwei Teilen: Aus der Leistungsendstufe, die die erforderlichen Ströme erzeugt, aber meist selbst keine Spannungsverstärkung besitzt Einem Vorverstärker, der eine Gegenkopplung ermöglicht, um die die Verzerrungen der Leistungsendstufe zu reduzieren.

Jedes elektronische Gerät benötigt eine Stromversorgung. Man unterscheidet zwischen Netz- und Akku-betriebenen Geräten. Eine Übersicht über die bevorzugten Ausführungsformen ist in Abb. 15.1 zusammengestellt. Jede Stromversorgung muss eine oder mehrere Gleichspannungen zur Versorgung liefern, die von Netz- bzw. Akku- Spannungsschwankungen und Lastschwankungen unabhängig sind. In jedem Fall steht ein hoherWirkungsgrad im Vordergrund,um die Leistungsaufnahme und gleichzeitig den Aufwand für die Kühlung klein zu halten.

In neuerer Zeit geht man mehr und mehr dazu über, die Signalverarbeitung nicht analog sondern digital durchzuführen. Die Vorteile liegen in der höheren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie in der geringen Störempfindlichkeit. Nachteilig ist der höhere Schaltungsaufwand, der jedoch angesichts des zunehmenden Integrationsgrades digitaler Schaltungen immer weniger ins Gewicht fällt.

In den vorhergehenden Kapiteln habenwir eineReihe vonVerfahren zur analogen und digitalen Signalverarbeitung kennen gelernt. In vielen Fällen müssen jedoch selbst elektrische Signale erst umgeformt werden, bevor sie einer Analogrechenschaltung oder einem ADUmsetzer zugeführt werden können. Man benötigt zu diesem Zweck Messschaltungen, die als Ausgangssignal eine geerdete Spannung mit niedrigem Innenwiderstand liefern.

In diesem Kapitel sollen Schaltungen behandelt werden, die es ermöglichen, nichtelektrische Größen zu messen. Dazu müssen diese zunächst von einem Sensor erfasst werden, der nach Möglichkeit nur auf die gewünschte Messgröße anspricht. Mit der Betriebsschaltung für den Sensor in Abb. 18.1 wird eine Spannung erzeugt, die dann nach Kalibrierung sichtbar angezeigt oder zur Regelung verwendet wird. In modernen Messgeräten mit einem Mikrocontroller führt man die Kalibrierung meist nach der ADUmsetzung digital durch weil sie damit einfacher, genauer und iterationsfrei möglich ist. In Abschnitt 18.5.2 gibt es ein Beispiel dafür.

Die Aufgabe eines Reglers besteht darin, eine bestimmte physikalische Größe (die Regelgröße X) auf einen vorgegebenen Sollwert (die Führungsgröße W) zu bringen und dort zu halten. Dazu muss der Regler in geeigneter Weise dem Einfluss von Störungen entgegenwirken.

Das menschliche Auge nimmt elektromagnetische Wellen im Bereich von 400nm bis 700 nm als Licht wahr. Die Wellenlänge vermittelt den Farbeindruck, die Intensität den Helligkeitseindruck. Zur quantitativenMessung der Helligkeit muss man einige photometrische Größen definieren. Der Lichtstrom Ω ist ein Maß für die Zahl der Lichtquanten (Photonen), die in der Zeiteinheit durch einen Beobachtungsquerschnitt F treten. Seine Maßeinheit ist das Lumen (lm). Zur Charakterisierung der Helligkeit einer Lichtquelle ist der Lichtstrom ungeeignet, denn er hängt im allgemeinen vom Beobachtungsquerschnitt F und dem Abstand r von der Lichtquelle ab. Bei einer punktförmigen, kugelsymmetrischen Lichtquelle ist der Lichtstrom Ω proportional zum Raumwinkel Ω. Dieser ist definiert als Ω = Kugelfläche/(Radius)2 und ist eigentlich dimensionslos. Er wird jedoch üblicherweise mit der Einheit Steradiant (sr) versehen.

Nachrichtentechnische Systeme sind heute genauso selbstverständlich in unser Alltagsleben integriert wie die elektrische Energieversorgung. Dazu gehören neben dem analogen Telefon als klassisches leitungsgebundenes System und dem analogen Rundfunk und Fernsehen als klassische drahtlose Systeme in zunehmendem Masse moderne Systeme wie ISDN-Telefone, schnurlose und Mobiltelefone, Rundfunk- und Fernsehempfang überBreitband-Kabelnetze oder Satellitenempfang, PC-Modems, drahtlose PC-Mäuse und -Tastaturen, drahtlose Garagentoröffner sowie die in den Autoschlüssel integrierten Fernentriegler, und vieles mehr. Darüber hinaus entstehen durch die Kopplung verschiedener Systeme und die Einführung spezieller Vermittlungsverfahren heterogene Systeme wie das Internet.

Im folgenden beschreiben wir den Aufbau von Sendern und Empfängern für die drahtlose Übertragung; dabei verwenden wir die Begriffe im engen Sinne: die Komponenten vom Modulator bis zur Sendeantenne bilden den Sender, die Komponenten von der Empfangsantenne bis zum Demodulator den Empfänger.

Bei der Dimensionierung und Simulation von Hochfrequenz- und Zwischenfrequenz- Schaltungen muss man das Verhalten passiver Bauelemente bei hohen Frequenzen berücksichtigen; dazu werden die in Abb. 23.1 gezeigten Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder fürWiderstände, Spulen bzw. Drosseln (Spulen mit Kern) und Kondensatoren verwendet.

In den Hochfrequenz- und Zwischenfrequenz-Baugruppen eines nachrichtentechnischen Systems werden bis heute neben integrierten auch diskret aufgebaute Verstärker mit Einzeltransistoren eingesetzt; das gilt vor allem für die Hochfrequenz-Leistungsverstärker in den Sendern. Dagegen werden in den niederfrequenten Baugruppen nur noch integrierte Verstärker verwendet. Der Einsatz von Einzeltransistoren ist auf den jeweiligen Stand der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Im Zuge der Entwicklung neuer Halbleiterprozesse mit höheren Transitfrequenzen werden zunächst Einzeltransistoren hergestellt; die Herstellung integrierter Schaltungen auf der Basis eines neuen Prozesses erfolgt meist erst mehrere Jahre später. Darüber hinaus werden bei der Herstellung von Einzeltransistoren mit besonders hohen Transitfrequenzen häufig Materialien oder Prozessschritte verwendet, die für eine Fertigung integrierter Schaltungen aus produktionstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht oder noch nicht geeignet sind. Die starken Wachstumsraten bei drahtlosen Kommunikationssystemen haben allerdings dazu geführt, dass die Entwicklung von Halbleiterprozessen für Hochfrequenz-Anwendungen stark forciert wurde.

Mischer (mixer) werden zur Frequenzumsetzung (frequency conversion) in Sendern und Empfängern benötigt und gehören zusammenmit Verstärkern und Filtern zu den wesentlichen Komponenten eines drahtlosen Übertragungssystems.Wir beschreiben im folgenden zunächst das Funktionsprinzip einesMischers und gehen anschließend auf die in der Praxis verwendeten Schaltungen ein.

Schaltungen zur Erzeugung ungedämpfterSchwingungen bezeichnet man als Oszillatoren (oscillator, OSC). In nachrichtentechnischen Schaltungen werden Oszillatoren zur Erzeugung der Lokaloszillatorsignale(l ocal o scillator, LO) für die Mischer in Sendern und Empfängern benötigt; dabei kommen zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Oszillatoren zum Einsatz:

PSpice von Cadence (früherMicroSim) ist ein Schaltungssimulator der Spice-Familie (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) zur Simulation analoger, digitaler und gemischt analog-digitaler Schaltungen. Spice wurde um 1970 an der Universität in Berkeley entwickelt und existiert heute in der Version 3F4 zur lizenzfreien Verwendung. Auf dieser Basis wurden kommerzielle Ableger entwickelt, die spezifische Erweiterungen und zusätzliche Module zur grafischen Schaltplan-Eingabe, Ergebnisanzeige und Ablaufsteuerung enthalten. Bekannte Ableger sind PSpice und HSpice. Während HSpice von Synopsys für den Entwurf integrierter Schaltungen mit mehreren Tausend Transistoren ausgelegt ist und in vielen IC-Design-Paketen als Simulator verwendet wird, ist PSpice ein besonders preisgünstiges und komfortabel zu bedienendes Programmsystem zum Entwurf kleiner und mittlerer Schaltungen auf PCs mit Windows-Betriebssystem.